Тема 1.2. Рабочие процессы и основные параметры автомобильного двигателя

Рассмотрим схему работы четырехтактного дизеля с наддувом (рис.1).

1-й такт – впуск. Осуществляется при движении поршня от ВМТ к НМТ при открытом впускном клапане. Для улучшения наполнения цилиндра открытие впускного клапана начинается на подходе поршня к ВМТ (точка 1), а закрытие –после НМТ (точка 2).

Рис. 1. Диаграммы рабочих процессов четырёхтактных двигателей

Величина достигаемого давления Р_а зависит от гидравлического совершенства тракта, фаз газораспределения и динамических явлений во впускной и выпускной системах.

2-й такт – сжатие. Происходит при движении поршня от НМТ (точка А) до ВМТ (точка С). Практически процесс сжатия начинается с момента закрытия впускного клапана (точка К) за 10…30⁰ пкв до ВМТ в среду сжатого в цилиндре воздуха начинается впрыск топлива (точка 2) и спустя 5…10⁰ пкв, это топливо воспламеняется в точке 3. Фактически давление в цилиндре в ВМТ (точка С) оказывается выше расчетного давления в конце сжатия (точка С).

3-й такт – горение-расширение. Происходит при движении поршня от ВМТ (точка С) к НМТ (точка В). Начавшаяся топливоподача продолжается 30…35⁰ пкв и заканчивается в точке 4 за ВМТ. Горение начинается в точке 3. Через 10…15⁰ пкв после ВМТ достигается максимальная температура Тz. Фактически окончание горения затягивается до точки 5; расширение продолжается до точки 6 – момента открытия выпускного клапана.

4-й такт – выпуск. Происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ при открытии выпускного клапана. Процесс выпуска начинается с момента открытия выпускного клапана в точке 6. Благодаря перепаду давлений происходит быстрое истечение газов в выпускной коллектор. Закрытие выпускного клапана происходит в точке 8 за ВМТ.

Фаза перекрытия клапанов используется для продувки цилиндра. Цель продувки – очистка камеры сгорания (КС) от остаточных продуктов сгорания, а также охлаждение воздухом клапанов и днища поршня.

Рабочий цикл двухтактного двигателя осуществляется за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала. Это достигается благодаря тому, что выталкивание и впуск заменяются процессами выпуска и продувки, происходящими при положении поршня около НМТ.

Рассмотрим работу двухтактного двигателя.

1-й такт – сжатие. При восходящем движении поршня заканчиваются процессы выпуска, продувки и наполнения цилиндра воздухом. С момента закрытия выпускного клапана и продувочных окон поршнем в цилиндре происходит сжатие и за 15…20⁰ пкв до ВМТ впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется.

2-й такт – горение, расширение и продувка. При нисходящем движении поршня заканчиваются топливоподача и горение топлива, после чего процесс расширения продолжается до момента открытия выпускного клапана. После открытия продувочных окон верхней кромкой поршня начинаются продувка и наполнение цилиндра. Рабочий цикл повторяется.

При одинаковых значениях D, S, i, n, Pe в двухтактном двигателе теоретически можно получить мощность вдвое больше , чем в четырехтактном. В действительности, мощность возрастает в 1,7…1,85 раза, так как часть хода поршня из-за наличия окон теряется. Худшая очистка цилиндра, потери воздушного заряда и др. снижают мощность двухтактных дизелей. У двухтактных двигателей большая равномерность крутящего момента (рис. 2) ввиду того, что рабочий ход приходится на каждый оборот коленчатого вала.

Рис. 2. Диаграмма рабочего процесса двухтактного двигателя

Процессы впуска, выпуска, горения-расширения в четырехтактных дизелях протекают более эффективно, так как на них отводится больший угол пкв, чем в двухтактных, тогда как процесс топливоподачи у двухтактных дизелей заметно короче, чем у четырёхтактных.

Основные характеристики двигателя разделяются на индикаторные, или внутренние, и эффективные, или внешние.

Индикаторные характеристики показывают степень совершенства протекающих в цилиндрах двигателя процессов и учитывают только тепловые потери внутри цилиндра.

Эффективные характеристики показывают степень совершенства двигателя в целом и учитывают все потери (тепловые, механические), наблюдаемые в процессе преобразования энергии, начиная от сгорания топлива до вращения коленчатого вала.

К основным характеристикам, или показателям двигателя (индикаторным и эффективным), относят: среднее давление, мощность , расход топлива и КПД.

Среднее индикаторное давление – условное постоянное давление p_i, действующее на поршень на протяжении его рабочего хода и совершающего работу, равную индикаторной работе замкнутого цикла.

Среднее эффективное давление – условное постоянное давление, действующее на поршень за цикл и совершающее работу, равную полезной работе на фланце коленчатого вала.

Большое влияние на индикаторные и мощностные показатели двигателя имеют:

- степень сжатия ε

Степень сжатия для двигателей с искровым зажиганием составляет от 7 до 11, а дизельных – от 12 до 25 и более. Увеличение степени сжатия существенно повышает индикаторные показатели, улучшает условия воспламенения, что позволяет на долевых нагрузках обеднять смесь. При увеличении степени сжатия растут тепловые и механические нагрузки на детали двигателя, вредные выбросы, повышаются требования к октановому числу топлива;

- размеры цилиндра D, S

Размеры цилиндра влияют на мощность и процессы теплообмена. С увеличением диаметра цилиндра для обеспечения работы без детонации следует использовать топливо с более высоким октановым числом. Увеличение диаметра при неизменной степени сжатия из-за снижения теплоотвода в стенки повышает индикаторный КПД.

- частота вращения n

Частота вращения интенсифицирует в цилиндре движение рабочего заряда и сгорание. При этом время, отводимое на цикл, уменьшается, а продолжительность сгорания несколько увеличивается. При увеличении оборотов сокращаются утечки газов через кольца и теплоотвод в систему охлаждения;

-литровая мощность N_л

Литровая мощность характеризует степень использования рабочего цилиндра и зависит, в основном, от числа оборотов двигателя и от основных размеров двигателя;

- индикаторная мощность N_i

Мощность, соответствующая работе, совершаемой газами за цикл внутри цилиндра;

- эффективная мощность N_э

Общая полезная мощность, развиваемая двигателем на фланце коленчатого вала.

Регулировочные характеристики представляют собой зависимости основных показателей двигателя от значения одного или нескольких регулировочных параметров при постоянной частоте вращения коленчатого вала.

Регулировочные характеристики получают для ряда скоростных и нагрузочных режимов с целью оценки качества рабочего процесса и определения предельных мощностных, экономических и экологических показателей двигателя на исследуемых режимах, выбора и оценки регулировочных параметров систем двигателя, определения характера их изменения на различных режимах.

Регулировочная характеристика двигателя с искровым зажиганием по составу смеси представляет собой зависимость основных показателей двигателя от состава смеси. Возможны три способа её получения:

- при постоянном положении дроссельной заслонки, что обеспечивает примерное равенство расхода воздуха. Способ прост и пригоден на режимах полной нагрузки;

- при постоянной мощности двигателя; способ более правильный, так как при движении автомобиля в конкретных условиях необходима постоянная мощность; используется на режимах холостого хода;

- при постоянном расходе топлива; способ применяют при испытании двигателя с системами впрыскивания топлива.

Все три способа могут использоваться на средних нагрузках.

Нагрузочной характеристикой называется зависимость основных показателей двигателя от параметра, характеризующего его нагрузку при постоянной частоте вращения.

Нагрузочная характеристика позволяет описать работу двигателя при движении автомобиля с постоянной скоростью, на одной передаче и, переменном дорожном сопротивлении.

Основными показателлями двигателя по нагрузочной характеристике являются G_т и g_е.

Скоростная характеристика представляет собой зависимость основных показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала при неизменном положении органа управления двигателем.

Внешняя скоростная характеристика определяется при полном открытии дроссельной заслонки или при положении органа управления подачей топлива, которое обеспечивает получение номинальной мощности двигателя.

Частичные скоростные характеристики снимают при промежуточном положении органа управлением двигателя.

Работа двигателя в транспортных условиях определяется тем, что при каждом включении коробки передач трансмиссии автомобиля число оборотов двигателя может изменяться в широких пределах и пропорционально (если пренебречь пробуксовкой) скорости движения. При этом на каждой скорости движения и, следовательно, при любом числе оборотов двигателя его нагрузка может меняться в зависимости от условий, от холостого хода до максимальной. Таким образом, возможные режимы работы двигателя, работающего в транспортных условиях, отражаются на диаграмме площадью, ограниченной сверху максимальной мощностью двигателя и числом оборотов.